防冷凝隔热卡盘的制作方法

专利名称：防冷凝隔热卡盘的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及半导体处理系统，尤其涉及一种用于生产用于夹持衬底并传递与之相关的热能的静电卡盘的方法。
背景技术：
硅晶片的处理在现代微电子设备的生产中非常普遍。这种处理过程包括可以在低压下进行的等离子体处理和离子注入，其中RF或微波等离子体，或高能粒子束被传递至晶片，其中在处理过程中在晶片处会产生高温。这样的高温(例如，对于通常的注入，温度超过100°C，对于其他处理，温度超过400°C )，然而，这会对晶片产生有害的影响。对于很多过程，并不需要精确的温度控制，只要晶片的温度至少保持在低于预设的极限，例如在离子注入时低于100°c或通常情况下低于400°C。但如今在离子注入中，倾向于使用高功率连续注入器(highpower serial implanter)，这通常要求以热传导系数 HTC > 200mW/cn^C进行冷却并且温度控制在士5%范围内。在先进的注入和晶片处理操作中，通常要求精确的温度控制，其中整个300mm晶片的HTC的一致性，例如，需要保持在
以内。此类处理可能需要具有例如高达500mW/cm2C的HTC值。晶片温度控制和与半导体处理相关的问题在一段时间以来已经使用了静电卡盘 (ESC)来解决。附图1展示了一个典型的单极静电卡盘，其中ESClO通过静电力将晶片20 保持在合适的位置上。晶片20通过绝缘层40与电极30分离。电压(例如，图示为"+") 通过电压源50施加于电极30。施加于电极的电压在晶片20处感生静电场(例如，图示为")，在晶片20上产生相等和相反的电荷(例如，图示为"+")。晶片20上的静电场在晶片和ESClO之间产生静电力。因此，静电力保持晶片20使之正对绝缘层40。在使用ESC时，可利用在晶片和绝缘层40的接触表面60之间的接触传导对晶片 20进行冷却。其中，绝缘层可被冷却水或冷却介质冷却。常规地，对于晶片20的冷却通常会随着施加到ESC上的电压而增加。但显著的高电压，可能会对晶片产生有害的影响(例如，引起粒子的产生)，并可能进一步产生电力成本增加和能耗问题，并伴随着失效率增加。 此外，在ESC可设置所在的处理室的较温暖环境和ESC的内部冷却之间的温差可能会产生冷凝，并伴随着组件失效。在真空环境里，常规的ESC利用在晶片20和绝缘层40之间的冷却气体，其中绝缘层40的接触表面60包含多个加工在绝缘层中的凸起(未示出)，以为冷却气体提供驻留的区域。典型地，陶瓷层通常被用于加工以形成凸起，其中凸起可通过喷丸(bead blasting) 形成。尽管低温离子注入已被尝试，但现有方案还存在一系列的缺陷。例如，当在低温操作时，真空室暴露于低温晶片和/或被冷却的卡盘可能会导致残留湿气或冷凝材料(例如， 水)出现在卡盘的外表面，这可能会导致结冰。如前所述，目前需要提出一种克服前述不足和缺陷的、在高产量离子注入器中使用的低温离子注入解决方案。

发明内容
为了提供对本发明公开内容的一些方面的基本理解，下述介绍了简短的发明内容。该发明内容不是广泛综述。其目的既不是用于确定本发明的重要的或关键的特征，也不是限定本发明公开内容的范围。其目的只是以一种简化的形式介绍一些概念，作为之后要呈现的更加详细的描述的前奏。本发明公开内容主要涉及一种形成夹持板的方法，该夹持板具有适用于任何类型的衬底/晶片卡盘的夹持表面，用于在阻止在卡盘外侧上发生冷凝的同时加热或冷却半导体衬底。本方法包括步骤形成支持机构，例如，可以是任何适于保持半导体衬底的机械或电卡盘。卡盘可包含支撑表面或夹持表面以接触衬底的背面。该方法进一步包括步骤形成隔热层以将支撑机构包裹，其能够在支撑机构周围提供隔热密封并防止在处理室内或终端站内的部件冷凝和结冰。在一个实施例中给出了一种形成卡盘的方法，所述卡盘在离子注入过程中支撑晶片，该方法包括步骤形成围绕卡盘的热隔离层。卡盘可以包括用于保持晶片的表面，例如， 夹持表面，其中热隔离层在晶片支撑表面之下将卡盘包裹。热隔离层包含外壳或外皮，例如铝，钢，和/或陶瓷材料。外壳或外皮可进一步地包裹在卡盘和外壳之间的真空间隙，用以显著的阻止或防止在较冷的内部表面上形成冷凝。外壳和真空间隙可一起构成热隔离层， 并在离子注入过程中防止在卡盘的外侧上和/或终端站处理室内产生冷凝。为实现上述和相关的目的，本发明公开内容包含的特征在其后进行了完整的描述，并在权利要求中特别的指出。下述的描述和附图将详细阐述特定说明性的实施方式。不过，这些实施例仅是启发性的，仅是能够实现本发明的各方式中的少数几个的表示。当结合附图考虑时，其它的方面、优点和新颖的特征可以从下述详细的描述变得清楚。


图1是现有技术中示例的静电卡盘的部分剖视图；图2示出了根据本发明公开内容的一方面的示例静电卡盘的系统级模块图；图3示出了晶片支撑组件的部分剖视图，该组件可根据本发明公开内容的一方面修改为用于低温离子注入；图4示出了晶片支撑组件的部分透视图，该组件可根据本发明公开的一方面修改为用于低温离子注入；和图5是示出根据本发明用于形成基于半导体的静电卡盘的示例方法的流程图。
具体实施例方式本发明所公开的内容涉及一种夹持卡盘和用于形成夹持板的相关方法，并因此其中包含了多个创造性特征。尤其是，本发明所述的静电卡盘提高了一致地冷却晶片衬底的能力。因此，本发明现在将结合附图进行说明，其中在全文中采用相似的附图标记表示相似的元件。应该知道，对于这些方面的描述仅是说明性的而不应当用于限制本发明的范围。在下述的描述中，为了说明的目的，阐述了许多特定细节，用以提供对此处公开内容的全面的理解。然而，本领域技术人员可以明白，可以在没有这些特定细节的情况下，实施本发明。
本发明通过围绕衬底卡盘或晶片支撑组件的热隔离层阻止热量传递至卡盘的外表面，从而克服了前述的现有技术的挑战。热隔离层可缓解与当进行冷注入时形成于卡盘的外表面上的冷凝相关的问题。例如，支撑组件可通过冷却系统被冷却至大约摄氏10度或更低的温度。晶片支撑组件可安置在终端站或处理室内，处理室的温度与晶片支撑组件相比要高得多。因此，这样的温度差异可能会引起在卡盘外侧上形成冷凝并由此导致结冰，系统会因此导致失效。本发明在此所公开的技术和结构，适用于任何类型的离子注入的衬底 /晶片支撑组件，例如静电卡盘和/或机械卡盘。附图2示出了根据本发明所公开的多个方面的、包括静电卡盘200的系统230的框图。尽管在此处阐述了静电卡盘，但是此处所公开的这些方面可用于将离子注入半导体衬底的任何衬底卡盘或支撑组件，并因此，本发明所公开的内容并不限于任何特定类型的卡盘组件。例如，用于夹持晶片的机械卡盘，压板组件和/或电卡盘都可以包括在内。根据本发明所公开的一个示例性方面，用于控制静电卡盘200的系统230可以包含可操作地耦合于电源240的控制器235。控制器235可被操控以通过控制电源240来控制施加至ESC 200的电极231A，231B的电压V，其中该电压与从衬底205可见的由该电压产生的静电力所形成的夹持力的大小成比例。根据一个例子，通过增加和减少电压V，控制器 235可以进一步控制ESC 200的接触热传递系数(HTC)的量，于是，静电力和夹持力分别增加或减小。根据上述例子，控制施加至图2中静电卡盘200的电压V，有利地控制了通过夹持板210传导的热量。在低接触压力情况下，衬底205依然被夹持住或者被固定，但最少量的热能在衬底205和静电卡盘200之间传递，其中卡盘的隔热部(thermos portion)基本上“关断”。当较大电压(例如，大约600V)被施加于ESC 200时，衬底205与夹持板210之间的接触压力显著增加，由此迅速地增加了衬底205和夹持板210之间的HTC，并因此有效地“开启” 了卡盘的隔热部以加热或冷却衬底。在本实施例中，通过快速地控制施加于ESC 200之上的电压V，控制器235可被操控用于控制接触压力，因此允许ESC快速改变状态(例如从加热条件变更为冷却条件)。 例如，控制器235可进一步被操控，从与ESC关联的温度传感器M5，反馈晶片温度数据T， 其中电源240可在闭环反馈装置中被控制。可替换地，当预设的温度达到时，控制器235能够可操作地总体上限制衬底205和ESC 200之间的HTC。根据另一实施例，附图2中的系统230可以进一步包括一个或更多个阀 250A-250C，其中，所述一个或更多个阀可被操控选择性地允许一个或更多个真空泵255以各种模式泵送冷却气体260通过静电卡盘200，用于在衬底205和ESC之间进行气体热传导。所述一个或更多个阀250A-250C，例如，可包括一个或更多个自动阀(例如，阀250A)， 诸如快速作用螺线管阀或提升阀，或本领域技术人员可知的任何适宜的阀。根据另一示例性方面，控制器235可被可操作地与一个或更多个真空泵 255A-255B、气体供应装置沈5，电源240和一个或更多个阀250A-250C相耦合。在本例中通过控制应用于静电卡盘200的真空，有利地控制通过冷却气体的热传导量。因此可以控制背面压力的阀250A允许静电卡盘100快速改变状态(例如从加热条件变更为冷却条件)。 控制器235因此可进一步操作以通过控制所述一个或多个自动阀250来控制衬底205和静电卡盘200之间的气压。静电卡盘200可包含本领域技术人员可知的任意冷却机构。例如， 液体冷却剂可流过冷却回路(未示出)，其可带走晶片105背面的多余热量。
如在离子注入器(未示出)中使用的例子，使用60keV的束能和20mA的束电流的砷(As)注入，可将大约1200w的能量淀积到包括静电卡盘200和晶片205的终端站(未示出)中。在该离子注入过程中，晶片205和静电卡盘200之间的温度差大约在40摄氏度。 例如，水流，通过外部水冷却剂热交换器可冷却至20摄氏度，可以以0. 6gpm(加仑每分钟) 的流量通过管道、管或某种通道循环至卡盘200。该水流可充分地保证晶片温度不超过上限(例如，100摄氏度，超过这个温度，已知覆盖晶片的光刻胶将劣化)。在某些情况中，卡盘被冷却至低温(例如，小于20摄氏度)。在这些情况下，材料可在卡盘上产生冷凝并引起许多的问题。在一个实施例中，静电卡盘200进一步包括热隔离层203，用于防止在卡盘200的外侧上产生冷凝。热隔离层203包裹静电卡盘以阻止热量传递至卡盘的外表面。因此，卡盘可包括在静电卡盘200周围形成隔热屏障205的隔热外皮或外壳213，用于允许屏障205 的两侧上具有完全不同的温度。在一个实施例中，热隔离层203包括外皮和/或外壳和形成在其中的真空间隙 207。真空间隙可环绕卡盘200的外侧，并位于夹持板210之下。真空间隙207可包括第一真空，其从与外壳213分离的区域中的外部的第二真空产生。该外壳可包括孔(未示出)， 其中允许真空间隙中的第一真空由外部的第二真空产生，但所述孔小到足以阻止明显的冷凝穿过。附图3示出晶片支撑组件300，作为离子注入过程中用于支撑晶片的一实施例的例子。晶片支撑组件300可实现在终端站或真空室326中并穿过终端站或真空室326。晶片支撑组件300可包括晶片支撑卡盘328以及其它的安装机构，例如安装支撑块308，它们可以通过一个或多个轴承和/或接头(未示出)相连接。晶片327可通过夹持力被保持于晶片支撑卡盘3 上以接收来自于离子束(未示出)的离子注入。晶片327可以被静电夹持，机械夹持或由其他本领域技术人员所知的任何其它机构夹持。晶片支撑卡盘3 或压板可包括电极元件301，所述电极元件301嵌入在陶瓷材料用于产生夹持力。例如，可提供电源330用于通过电极元件301产生静电力用以将晶片327 的背面夹持到卡盘328的表面。另外，冷却系统(未示出)可包含在晶片支撑组件300中， 或与晶片支撑组件300相连接，所述冷却系统可以包括本领域技术人员所知的用于冷却晶片支撑卡盘328的任何冷却系统。晶片327可通过背面的气体传递热量至晶片支撑卡盘 328，该气体由气体供应装置332生成，并且流经的冷却剂(例如，液体冷却剂)之后可带走多余的热量。在一个实施例中，卡盘3 可被冷却至10摄氏度至零下80摄氏度，或低至足以从卡盘内产生冷凝的任何温度。在一个实施例中，热隔离层314在晶片支撑卡盘3 背面包裹晶片支撑卡盘3 并位于与晶片327的背面相对的卡盘的表面之下。尽管包裹卡盘328的背面可以涉及除去接触表面之外的任何位置，但是在附图2所示的情形中，这涉及表面的左侧。进而，热隔离层314包含其中具有第一真空的真空间隙306，以及包含位于真空间隙306周围的密封屏障的外皮312或外壳。该外皮312可由铝、钢和或陶瓷外罩组成。在一个实施例中，位于终端站326中的高真空可以是第二真空，其产生热隔离层 314内的第一真空，例如在真空间隙306之中的第一真空。外皮312可包括小开口(未示出)以允许终端站326中的真空生成真空间隙306之中的第一真空。终端站3 之中的第
7二真空可在室内提供约在10_3-10_7托(Torr)之间的背景气压，例如，10_5TOrr。在另一实施例中，位于真空间隙306中的第一真空可通过独立的真空泵336产生，而不是从由真空泵 332产生的终端站3 或其他处理室之中的第二真空产生。通过插入被抽真空的区域来在容装物和其环境之间提供热绝缘(例如，终端站环境)，热隔离层314隔离被冷却的卡盘328并将其中的部件保持成相对于它们的外部环境更冷或更热，而不需要变化压力。所述的第一真空用于热绝缘；容装物并不必需处于真空环境。使用真空作为隔离装置避免了热量通过传导或对流传递。此外，通过将反射涂层涂覆于表面可使热辐射损失最小化，与杜瓦保温装置(Dewar thermos)类似，其使用银作为一种选择。每一次当晶片被带进或带出终端站或真空室时，可能会带入一小股空气。因此，来自于光刻胶的所有种类的产物和其他外部的气体处理材料也可能会来自于晶片本身。真空中的气压低，但有大量的可冷凝材料可在卡盘上冷凝，特别是在低温环境运行中。因此，热隔离层可以保护卡盘使其免于这种冷凝。附图4示出了可封闭真空空间402的终端站400，所述真空空间402例如是用于向晶片408进行离子注入的真空室或处理室。晶片408可以由晶片保持器412安置于一固定位置，晶片保持器412设置有电极414，且冷却单元(未示出)与晶片保持器412相连。晶片保持器412通常是固定的压板，它可以由能够运动或静止的安装基座418支撑，并可例如使用静电力将晶片408固定在合适的位置。替代地，晶片保持器也可以是机械系统。晶片保持器406可以与一个或更多个真空泵406相连接，以通过所述保持器以各种模式泵送冷却气体以在晶片408和晶片保持器412之间形成气体热传导。在本例中，真空可应用于终端站400，有利地控制通过冷却气体传导的热量。因此气压可使晶片保持器 412快速地变换状态(例如从加热条件变更为冷却条件)。此外，真空泵406可被用于控制通过气泵410的气压，所述气泵410提供晶片408和晶片保持器412之间的气压。晶片保持器412可包括本领域技术人员所知的任何适宜的冷却机构。例如，液体冷却剂流过冷却回路(未示出)，其可带走晶片408背面的多余热量。在一个实施例中，晶片保持器412包含热隔离层422，所述热隔离层422包裹晶片保持器412的后侧，例如，未支撑晶片408的表面。热隔离层422可以包括外皮或外壳404， 其将晶片保持器402的后侧与终端站400热隔离开。外皮408可以进一步包裹真空间隙 420，所述真空间隙420包含被抽真空的空间。在一个实施例中，外皮408可包括铝、钢和或陶瓷外罩。真空间隙420可以是将晶片保持器412与终端站400的其他部分热隔离并阻止在其上产生冷凝的真空空间。在一个实施例中，外皮404包含一个或更多个小口或孔416，以使真空间隙420可以具有来自于终端站400之中的真空402的真空压。在一个实施例中，终端站400之中的高真空可以是第二真空402，产生位于热隔离层422中，例如位于真空间隙420之中的第一真空。外皮408可包含小口 416以允许终端站400之中的真空产生真空间隙420之中的第一真空。终端站400之中的第二真空可在室内提供约在10_3--10_7Τοπ·之间的背景气压，例如，约10_5Τοπ·。在另一实施例中，位于真空间隙420中的第一真空可通过独立的真空泵(未示出)产生，而不是通过终端站400或其他处理室之中的第二真空402产生。
参见附图5，一种用于制造晶片支撑件(例如，衬底晶片卡盘/压板)的示例方法 500在此后被说明和描述。尽管方法500和其他方法在此后被说明和描述为一系列的行为或事件，但应该知道，本发明所公开的内容并不被这些行为或事件的所示出的次序所限定。 例如，一些行为可能与除去根据本发明所示出和/或所描述的那些行为或事件之外的其它行为或事件按照不同的顺序和/或同时地发生。此外，并非所有在本发明中描述的步骤都是实施本方法所必须的。此外，本发明所公开的方法可以结合本发明所示出和描述的构造和/或结构处理来实现，也可以与其他的，未在本发明中说明的结构相结合来实现。方法500在步骤502中初始化，在步骤504中形成用于夹持衬底的支撑机构。支撑机构可以是在离子注入处理过程中用于保持衬底的任何支撑机构。例如，支撑机构可以包含静电卡盘或机械压板，其采用任何形式的冷却机构进行冷却。在步骤506，热隔离层被形成以在用于接触衬底的表面之外的表面(例如衬底的背面)上包裹支撑机构。在一个实施例中，热隔离层可形成于夹持表面之下。在步骤508，热隔离层可通过首先形成外壳或外皮来形成。在步骤510中，外壳可包裹在外壳和支撑机构之间形成的真空间隙。外壳可包含孔开口，用于允许真空间隙中的真空源自容纳所述支撑机构的室中的另一真空。在步骤 512中，方法结束。虽然已经参考特定的优选实施方式示出和描述了本发明，但是基于对本发明说明书和附图的阅读和理解，等价的改变和修改对于本领域的其它技术人员将是显见的。尤其是关于通过上述的部件(组件、元件、器件、电路等)执行的各种功能，除非另外地进行了说明，用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的提及)意图是对应于执行所描述的部件的特定的功能(即功能上等同)的任何部件，即使这些部件在结构上不等同于执行本发明公开内容的此处示出的示例性实施方式中的功能的被公开的结构。另外，虽然仅关于几个实施方式中的一个公开了本发明公开内容的特定特征，但是这样的特征可以与其它的实施方式中的一个或更多的其它的特征组合，如对于任何给定的或特殊的应用所期望的和有利的。
权利要求
1.一种离子注入系统的真空室之中的衬底卡盘，所述衬底卡盘用于支撑衬底并控制与之相关的热传递，所述衬底卡盘包括支撑机构，所述支撑机构包括用于在离子注入过程中保持衬底并促使晶片在至少一个方向上移动的夹持表面；冷却机构，所述冷却机构与支撑机构相连接；隔热层，所述隔热层大体上包围衬底卡盘除夹持表面之外的部分，所述隔热层包括 真空间隙，所述真空间隙包围支撑机构的外侧；以及外壳，大体上包裹所述真空间隙；其中，所述隔热层在支撑机构和支撑机构外部之间形成了真空屏障，从而阻止了支撑机构的壁上冷凝和至支撑机构的壁的热传递。
2.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，支撑机构的外壳进一步包括孔，并且真空间隙包含由在真空室内的第二真空生成的第一真空。
3.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，真空间隙包括由第一真空泵形成的第一真空， 所述第一真空泵与为所述真空室提供第二真空的第二真空泵隔离开。
4.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，在经过冷却机构的冷却后，支撑机构在隔热层内具有近乎恒定的温度，足以阻止在支撑机构的外表面上形成冷凝。
5.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，连接至支撑机构的冷却机构包括位于支撑机构之中的冷却结构，用于将支撑机构冷却至低于衬底温度的温度。
6.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，外壳包含铝制外罩，钢制外罩或陶瓷外罩。
7.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，支撑机构冷却至10摄氏度至负80摄氏度的温度。
8.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，衬底卡盘进一步包括被隔热层包裹的静电卡ο
9.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，外壳包括用于控制从真空间隙向外部室内的环境的开放的阀。
10.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，隔热层实质地减少了从支撑构件到支撑机构外表面的热传递，足以阻止在其上形成的冷凝，所述隔热层具有在0. Imm至IOmm之间的厚度。
11.如权利要求1所述的衬底卡盘，其中，外壳基本上将支撑构件与冷却机构的至少一部分和真空室内的真空空间分离开来，晶片在离子注入的过程中所述晶片被保持在所述真空室内。
12.如权利要求2所述的衬底卡盘，其中，第一真空和第二真空大致相等。
13.一种离子注入系统的晶片支撑卡盘，用于将晶片保持在一表面之上，并控制与之相关的热传递，所述晶片支撑卡盘包括隔热层，所述隔热层大致上包围位于所述表面之下的晶片支撑卡盘，所述隔热层包括真空间隙，所述真空间隙包围位于所述表面之下的晶片支撑卡盘的外部； 外壳，所述外壳大致上包裹真空间隙。
14.如权利要求13所述的晶片支撑卡盘，其中，隔热层包括在晶片支撑卡盘和处理室之间的隔热冷凝屏障，从而阻止了在晶片支撑卡盘的外部和处理室出现冷凝，并且进一步包含位于包围晶片支撑卡盘的隔热层的背面上的孔开口。
15.如权利要求13所述的晶片支撑卡盘，其中，真空间隙包括位于第一真空区域中的第一真空，处理室包含晶片支撑卡盘和位于第二真空区域中的第二真空，第二真空包括足够的压力以穿过隔热层中的孔产生第一真空。
16.如权利要求15所述的衬底卡盘，其中，隔热层实质地减少了从晶片支撑卡盘至处理室的热传递，足以阻止在其中形成冷凝，并且隔热层具有在0. Imm至IOmm之间的厚度。
17.一种形成用于离子注入的晶片支撑卡盘的方法，包括步骤形成包含用于夹持衬底的夹持表面的支撑机构；和形成围绕支撑机构并与之相连的热隔离层，其中热隔离层包围位于夹持表面之下的支撑机构。
18.如权利要求17所述的方法，其中，形成热隔离层的步骤包括形成其中包含真空的真空间隙和包裹所述真空间隙的外皮。
全文摘要
本发明涉及一种防冷凝隔热卡盘、围绕卡盘形成隔热层的方法和装置，该卡盘用于在进行离子注入时保持晶片。隔热层位于夹持表面的下面，包括真空间隙和包裹真空间隙的外壳。隔热层提供屏障，通过实质上阻止被冷却的卡盘和处理室内的温度较高的环境之间的热传递，防止位于处理室之内的卡盘外部的冷凝。
文档编号H01L21/683GK102292796SQ201080005099
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年1月23日
发明者威廉·戴维斯·李, 阿施文·普鲁黑特, 马文·拉封丹 申请人:艾克塞利斯科技公司